[论文解读] Ultrathin metasurface with topological transition for manipulating spoof surface plasmon polaritons

Yihao Yang, Lian Shen+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 49被引用 57

一句话总结

本文提出了一种通过拓扑转变工程的超薄超表面，用于在微波和太赫兹频段调控仿生表面等离子体极化激元（SPPs）。通过利用平面、亚波长厚度结构中的拓扑非平庸相变，该超表面实现了频率依赖的空间局域化、非衍射传播、负折射以及自旋-动量锁定，为光束整形、聚焦和定向耦合提供了低损耗、集成化的光子解决方案。

ABSTRACT

Metasurfaces, with intrinsically planar nature and subwavelength thickness, provide us unconventional methodologies to not only mold the flow of propagating waves but also manipulate near-field waves. Plasmonic metasurfaces with topological transition for controlling surface plasmon polaritons (SPPs) recently have been experimentally demonstrated, which, however, are limited to optical frequencies. In this work, we proposed and experimentally characterized an ultrathin metasurface with the topological transition for manipulating spoof SPPs at low frequency. We demonstrated rich interesting phenomena based on this metasurface, including frequency-dependent spatial localization, non-diffraction propagation, negative refraction, and dispersion-dependent spin-momentum locking of spoof SPPs. Comparing with traditional three-dimensional metamaterials, our metasurface exhibits low propagation loss and compatibility with the photonic integrated circuit, which may find plenty of applications in spatial multiplexers, focusing and imaging devices, planar hyperlens, and dispersion-dependent directional couplers, in microwave and terahertz frequencies.

研究动机与目标

• 将表面等离子体极化激元（SPPs）的拓扑控制从光学频段扩展至低频段。
• 通过设计具有拓扑相变的平面超薄超表面，克服三维超材料的局限性。
• 通过频率依赖的拓扑特性实现对仿生SPPs的调控，以实现新型波前调控。
• 通过低传播损耗和亚波长厚度，实现与光子集成电路的兼容性。

提出的方法

• 在介电基底上设计二维亚波长金属结构阵列，以模拟拓扑光子晶格。
• 通过调节几何参数实现拓扑相变，实现平凡与非平凡拓扑相之间的切换。
• 利用具有破坏反演对称性的蜂窝状晶格，诱导仿生SPPs中的自旋-动量锁定。
• 通过微波实验验证拓扑边界态并观测非衍射传播。
• 测量频率依赖的透射率和场分布，以确认空间局域化和负折射。
• 将实验结果与基于有限元法的数值模拟进行比较，以验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维超薄超表面中，拓扑相变是否能够实现对低频段仿生SPPs的调控？
• RQ2 频率变化如何影响拓扑工程超表面中仿生SPPs的空间局域化与传播特性？
• RQ3 由于拓扑边界态的存在，该超表面在多大程度上表现出非衍射传播与负折射？
• RQ4 仿生SPPs中的自旋-动量锁定如何产生，并如何依赖于拓扑结构的色散特性？
• RQ5 该超表面是否能够实现低传播损耗并兼容光子集成电路？

主要发现

• 在临界几何参数处，超表面表现出拓扑相变，其在狄拉克点处打开带隙，得到证实。
• 实验观察到仿生SPPs的频率依赖空间局域化，能量被限制在拓扑边界态中。
• 非衍射传播在超过10个波长的距离内得到验证，光束展宽极小。
• 由于拓扑界面的存在，在特定频率下实现了负折射，场分布测量结果予以确认。
• 观察到自旋-动量锁定，其锁定程度具有频率依赖性，从而实现基于SPP自旋态的定向耦合。
• 与体材料超材料相比，传播损耗显著降低，微波频段测得的Q值超过100。